MARCO TEÓRICO

Tiene la finalidad de embalsar el agua en el cauce fluvial para su posterior aprovechamiento en abastecimiento o regadío, para elevar su nivel con el objetivo de derivarla a canalizaciones de riego, para laminación de avenidas (evitar inundaciones aguas abajo de la presa) o para la producción de energía mecánica al transformar la energía potencial del

30 almacenamiento en energía cinética y ésta nuevamente en mecánica al accionar la fuerza del agua un elemento móvil.

(Ven Te Chow, 1983), En ingeniería se denomina presa o represa a una barrera fabricada de piedra, concreto o materiales sueltos, que se construye habitualmente en una cerrada o desfiladero sobre un río o arroyo. Tiene la finalidad de embalsar el agua en el cauce fluvial para elevar su nivel con el objetivo de derivarla, mediante canalizaciones de riego, para su aprovechamiento en abastecimiento o regadío, en eliminación de avenidas (evitar inundaciones de aguas abajo de la presa) o para la producción de energía mecánica al transformar la energía potencial del almacenamiento en energía cinética y está nuevamente en mecánica y que así se accione un elemento móvil con la fuerza del agua. La energía mecánica puede aprovecharse directamente, como en los antiguos molinos, o de forma indirecta para producir energía eléctrica, como se hace en las centrales hidroeléctricas.

CAPACIDAD DE UN EMBALSE

La capacidad de un embalse se mide por el volumen de agua contenido en su vaso de almacenamiento para una altura dada de la presa y de su aliviadero. Para calcular la capacidad se utilizan los planos levantados del vaso de almacenamiento. Para ello, una vez que hallamos fijado el sitio de la presa y la cota del fondo del río, comenzamos por medir con el planímetro las áreas abarcadas por cada una de las curvas de nivel. Luego, si calculamos la semisuma de las áreas entre curvas y las multiplicamos por el intervalo entre las mismas obtenemos el volumen almacenado entre curvas o volumen parcial. Si se acumulan luego los volúmenes parciales, se obtienen el volumen almacenado por cada cota o altura sobre el fondo del río (Castillo T Jorge L, 2006).

ESTRUCTURAS QUE CONFORMAN EL EMBALSE

(Castillo T Jorge L, 2006) Todo embalse consta de las siguientes estructuras básicas: la presa, el aliviadero y las obras de toma.

La presa, dique o represa, es la estructura de retención de las aguas y resiste un empuje.

Debe ser, por lo tanto, impermeable y estable, conjuntamente con su fundación y sus estribos.

El aliviadero o estructura de alivio o descarga de los excedentes que llegan al embalse, los cuales no se desean almacenar. Sus características más importantes es la de evacuar con facilidad las máximas crecientes que llegan al vaso de almacenamiento. Su insuficiencia provoca el desborde del agua por encima de la cresta de la presa y el posible colapso de esta estructura si se trata de una presa de tierra o enrocado.

31 Las obras de toma son un conjunto de estructuras formado por una estructura de entrada o toma, un túnel o conducto a través de un estribo o de la presa y una estructura de salida. Este conjunto permite tomar las aguas del embalse y pasarlas al canal principal. Debe tener suficiente capacidad para descargar las aguas abastecer a la zona de riego con el gasto necesario, de acuerdo a los requerimientos de los suelos para niveles mínimos del embalse.

VASO DE LA PRESA

Es la parte del valle que, inundándose, contiene el agua embalsada. Una de las condiciones básicas que debe reunir un embalse es su estanqueidad. Sin embargo, dependiendo del uso del mismo, las pérdidas de agua pueden ser más o menos tolerables. Así, un embalse de regulación de avenidas no requiere la misma estanqueidad que para abastecimiento o regadío. Por otro lado, las condiciones de impermeabilidad también deben ser analizadas en función de las necesidades del aprovechamiento, ya que, en ocasiones, puede ser económicamente rentable proceder a tratamientos de impermeabilización en zonas concretas (González de Vallejo Luis I, 2004).

CIMENTACIÓN DE LA PRESA

(Ray K.Linsley & Joseph B. Franzini, 1978), La cimentación: es la parte de la estructura de la presa, a través de la cual se transmiten las cargas al terreno, tanto las producidas por la presión hidrostática como las del peso propio de la estructura.

La cimentación debe proporcionar un apoyo estable para el terraplén en todas sus condiciones de carga y saturación.

Debe tener resistencia a la filtración para evitar daños por erosión y pérdidas de agua.

El área de la fundación de la presa se debe limpiar totalmente removiendo todos los árboles, malezas, raíces, piedras, tierra vegetal, basuras, materiales permeables, etc., hasta llegar a una capa de suelo resistente y adecuado. La superficie obtenida para la fundación deberá ser escarificada antes de comenzar a construir el terraplén.

El área de fundación correspondiente a cauces de arroyos deberá ser limpiada, profundizada y ampliada hasta remover todas las piedras, grava, arena, y cualquier material indeseable.

La limpieza de los cauces se efectúa profundizando de manera que los taludes de la excavación sean estables.

Cuando se encuentre roca durante la preparación de la fundación, es importante que ésta quede perfectamente limpia removiéndose de su superficie toda costra o fragmento de roca.

Para esta operación no se podrá emplear ningún tipo de explosivos.

32 Es importante que se realice simultáneamente la preparación de la fundación y la excavación para la tubería de toma de agua de acuerdo con las pendientes y dimensiones mínimas indicadas en planos.

En esta etapa de la construcción es importante tomar todas las previsiones para controlar el agua hasta que se concluya la obra.

CIMENTACIONES EN ROCA

En general no presentan problemas de resistencia a la capacidad portante. El principal problema lo constituyen las filtraciones excesivas por fisuras y grietas.

CIMENTACIONES EN LIMO ARCILLA

El problema estriba no tanto en las filtraciones como en la estabilidad del suelo de la cimentación

CIMENTACIONES SATURADAS

Es necesario estudiar el grado de consolidación del suelo previa identificación del mismo.

El estudio es extensivo y puede resultar costoso. Algunas medidas constructivas son:

reemplazar o quitar los suelos blandos, instalar sistemas de drenaje durante la construcción, suavizar los taludes del terraplén

CIMENTACIONES RELATIVAMENTE SECAS

Son suelos buenos desde que la relación de vacíos sea adecuada. Si el suelo es seco y de baja densidad pueden surgir asentamientos considerables cuando se cargue la presa y se sature el suelo, causando la falla bien sea por asentamientos totales y disminución del borde libre de la presa, o por asentamientos parciales que pueden partir el núcleo impermeable. Medidas constructivas a tomar son: reemplazo del suelo; delantales impermeables aguas arriba; filtro permeable aguas abajo; humedecimiento previo del suelo.

CIMENTACIONES EN ARENA Y GRAVA

Frecuentemente la cimentación de presas flexibles consiste en depósitos aluviales de arena y grava relativamente permeables. Se presentan los siguientes problemas básicos: magnitud de las filtraciones subterráneas, presiones producidas por las filtraciones; tubificaciones; y licuefacción. Arenas sin cohesión de baja densidad son peligrosas como fundación. Al presentarse pérdidas de agua del embalse hay que hacer la consideración sobre qué sale más caro: si el agua que se pierde o el tratamiento anti filtrante.

Todas las presas construidas sobre material permeable deben tener un dren aguas abajo.

(González de Vallejo Luis I, 2004), la elección del tipo de presa depende en primer lugar de las condiciones de cimentación. Cualquier tipo de presa de hormigón exige que las deformaciones en el macizo rocoso sean compatibles con las del hormigón; es decir, que no

33 se superen ciertos niveles de deformación no soportables por la estructura de la presa; así, no es posible cimentar este tipo de presas en suelos o rocas blandas. Tampoco una presa de hormigón sería una solución adecuada si la profundidad de la cimentación requiriera una excavación muy profunda (por presencia de materiales muy alterados o tectonizados en relación con la altura de la presa); en estas situaciones el volumen de excavación supondría un coste elevado.

PARTES DE LA PRESA CERRADA

(González de Vallejo Luis I, 2004), En general, las cerradas deben reunir condiciones de baja permeabilidad. Los efectos de las filtraciones, prácticamente presentes en la mayoría de los macizos, bien a través de fracturas o discontinuidades o a través de zonas alteradas, son especialmente críticos para las cimentaciones al ocasionar los siguientes problemas:

Supresiones en la base de la presa.

Inestabilidades en la zona de aguas abajo de la presa.

Creación de gradientes elevados con altas velocidades de filtración y riesgo de erosiones internas. Inestabilidad de taludes en los estribos.

Pérdidas significativas de caudales.

TALUDES

Son las dos superficies principales que limitan el cuerpo de la presa, el interior o de aguas arriba, que está en contacto con el agua, y el exterior o de aguas abajo.

ALIVIADERO

También denominado vertedero hidráulico es la estructura hidráulica por la que rebosa el agua excedentaria cuando la presa ya está llena.

Son las estructuras que permiten el vaciado del embalse a través de la propia presa o por medio de estructuras independientes. Se diseñan para caudales máximos estimados en base al estudio de las series históricas de precipitación, conocidas o evaluadas, en la cuenca de recepción afectada por la cerrada. La localización y configuración del aliviadero depende del tipo de presa, y de las condiciones topográficas o geológico-geotécnicas de la cerrada y su entorno. En las presas de materiales sueltos el aliviadero se construye con independencia al cuerpo de presa (González de Vallejo Luis I, 2004).

(González de Vallejo Luis I, 2004), en una presa de materiales sueltos la insuficiencia de aliviadero puede producir su rotura. Aun antes de volcar las aguas, el rompiente de las olas

34 puede abrir brechas en coronación, que determinan el paso de las aguas y el arrastre de la presa.

DESAGUE DE FONDO

Permite mantener el denominado caudal ecológico aguas abajo de la presa y vaciar la presa en caso de ser necesario. Las tomas son también estructuras hidráulicas, pero de menor entidad, y son utilizadas para extraer agua de la presa para un cierto uso, como puede ser abastecimiento a una central hidroeléctrica o a una ciudad

PROCESOS DE LA SATURACIÓN DE LA CIMENTACIÓN

Cuando se está construyendo una obra sobre suelos parcialmente saturados, es preciso tener en cuenta que el proceso de saturación en sí mismo puede inducir efectos más importantes que si el suelo hubiera estado saturado desde antes de construir una cimentación. Como luego se verá, la saturación implica cambios de volumen del suelo, que en determinados casos pueden ser importantes. En estas condiciones, es más perjudicial que dichos cambios tengan lugar cuando la obra ya está construida y en servicio. Los suelos granulares (gravas y arenas) apenas sufren cambios de volumen al saturarse. El problema se reduce a los suelos de grano fino.

El criterio más influyente en las presas de materiales sueltos es la disponibilidad de materiales. Los núcleos impermeables precisan suelos de baja permeabilidad (en general inferior a 10−5 cm/s) y se descartan los suelos colapsables, orgánicos, solubles y de alta plasticidad. El entorno geológico habitual donde se sitúan estas presas puede responder a formaciones sedimentarias, suelos aluviales, arcillas sobre consolidadas o rocas blandas. Se deben descartar los materiales erosionables, dispersivos y solubles, y los de alta permeabilidad (González de Vallejo Luis I, 2004).

SUELOS EXPANSIVOS EN LA CIMENTACIÓN

El comportamiento descrito es típico de los suelos finos normales, con deformaciones significativas pero moderadas (expansiones del orden del 1% o ligeramente superiores). Sin embargo, existen algunos suelos en los que la expansión por saturación es significativamente superior. Estos suelos se denominan "expansivos".

El carácter expansivo de un suelo suele estar asociado a la presencia de algunos minerales arcillosos, que tienen la propiedad de admitir moléculas de agua en el interior de su red cristalina. De ellos el más frecuente es la montmorillonita. El carácter expansivo de estas especies mineralógicas va asociado a una gran actividad, que se manifiesta también en una elevada plasticidad, siendo frecuentes límites líquidos incluso superiores a 100%. Esto

35 permite identificar la posible presencia de estos minerales, y por tanto adoptar las medidas para evaluar y tener en cuenta su carácter expansivo.

PRESIÓN DE POROS EN LA CIMENTACIÓN

En un material agregado como el suelo, la presión de poros es la presión del agua que llena los espacios vacíos. Ocurre que cuando esa presión llega a cierto valor, el suelo se vuelve inestable, debido a que las partículas pierden cohesión entre sí. En un suelo se debe controlar la presión de los líquidos lixiviados, mediante un adecuado drenaje.

En cualquier material trifásico (sólido, líquido, gaseoso) como los suelos naturales o artificiales (como es el caso de terraplenes de presas) la presión de poro corresponde a la presión del agua entre los espacios intersticiales de los sólidos. En estos materiales la resistencia mecánica está en función del esfuerzo efectivo (esfuerzo total - presión de poro) y a mayores presiones de poro menor es su resistencia.

En los suelos es importante controlar la presión de poros para aumentar su resistencia mecánica. Esto se logra mediante la colocación de drenes profundos, capas de geotextil drenante y sistemas de canales para la evacuación.

Según Cavero P. Cristina (2010) La presión de poros está definida como la presión que ejerce un fluido en los espacios porosos de la roca. También es llamada presión de formación o presión poral, está en función de los fluidos de formación y de las cargas que están soportando.

(Terzaghi, 1925, 1936; Skempton, 1960), El esfuerzo total que obra en cualquier punto de una sección de suelo saturado o de roca, puede dividirse en dos partes. Una de ellas, llamada presión intersticial, presión de poro o esfuerzo neutro actúa en el agua y en el sólido con igual intensidad y en todas direcciones. La otra parte, conocida como esfuerzo efectivo p, representa el exceso sobre el esfuerzo neutro, y actúa exclusivamente entre los puntos de contacto de los componentes sólidos.

COMPACTACIÓN DE SUELOS

La compactación es un proceso por el cual se disminuye el índice de poros de los suelos, sin variar su contenido de humedad (cuando se disminuye la humedad, se suele hablar de

"desecación", no de compactación). Aunque hay procesos naturales de compactación, el interés se centra en los procesos artificiales. Suele distinguirse entre:

Compactación superficial: la que se consigue mediante el paso de elementos compactadores sobre la superficie del terreno. Es el procedimiento usual para construcción de rellenos, terraplenes o presas de materiales sueltos.

36 Compactación profunda: se aplica para mejorar las características de terrenos o rellenos preexistentes, de espesor considerable. Se realiza en el interior del terreno mediante diversos procedimientos (vibroflotación, columnas de grava, voladuras, inyecciones, etc.). Todos ellos requieren el uso de maquinaria especializada.

Aunque gran parte de los conceptos son generales, nos referiremos en lo que sigue a la compactación superficial.

El alcance de la compactación en profundidad es pequeño, por lo que el material se extiende pequeños espesores (del orden de decímetros), compactando cada capa antes de extender la siguiente. En general se utilizan rodillos estáticos o vibratorios, que provocan presión estática e impacto. efecto dinámico de la vibración es especialmente eficaz en suelos granulares. En el caso de suelos arcillosos (por ejemplo, en núcleos impermeables de presas de tierras), se emplean rodillos de pata de cabra, que inducen compactación por amasado.

PROCESO DE COMPACTACIÓN

La compactación es un proceso rápido. La actuación de los elementos compactadores sobre cada punto dura escasos segundos, por lo que no da tiempo a que se produzca expulsión de agua del interior del terreno.

En consecuencia, el proceso tiene lugar sin drenaje, por lo que sólo tiene sentido en el caso de suelos parcialmente saturados. En un suelo saturado en el que no se produce variación del contenido de agua, el volumen no varía, al ser incompresibles tanto el agua como las partículas sólidas.

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